前沿报告 | 两大专家揭秘，空间组学技术如何破解高异质性肿瘤微环境
多项研究表明，肿瘤免疫微环境在癌症复发、转移、免疫逃避机制等起到不可忽视的作用[1-4]。随着高通量单细胞测序的应用，研究者们得以在单细胞水平上认识肿瘤免疫微环境[5-8]，这为开发新的诊疗及预后手段提供了思路。
但是随着科学技术和认识的发展，在单个细胞水平上间接、离散地展示DNA和RNA信息的单细胞测序技术，已不能满足当前对更高层次生命系统结构（组织、器官，甚至整个生物体）认识的需要。
目前，华大自主研发的Stereo-seq时空组学技术，能以纳米级分辨率直观展示厘米级大视野下转录组在组织水平上，甚至器官水平上的分布模式及相互关系，推动生命科学和医学领域步入新阶段，带来生命科学领域第三次科技革命。
为了展示新技术的应用对癌症领域研究的推进，深圳华大生命科学研究院联合深圳国家基因库，于2021年12月23日下午成功举办关于肿瘤微环境研究的研讨会。深圳华大生命科学研究院副研究员吴靓和清华大学自动化系副研究员古槿两位专家，倾情分享了单细胞测序和空间转录组学技术在肝癌免疫微环境研究中的最新发现。
报告1
单细胞技术在肝癌复发研究的应用
点击查看直播视频
IF：38.812；文献数据：CNP0000650（CNSA）
深圳华大生命科学研究院副研究员吴靓老师介绍了单细胞测序技术的发展历史，随后强调了肿瘤及肿瘤微环境具有高异质及动态发展的特性，并指出这种特性使得高分辨度的单细胞测序技术成为癌症研究领域的有力研究手段。
在回顾了肝癌的流行病学数据、癌症领域研究方向及2011~2017年间单细胞测序技术在癌症研究领域的应用案例后，吴靓老师展示了团队早期的研究发现，“原发肿瘤中次要克隆在复发过程被选择成为了复发肿瘤的主导克隆”[9]。
为了深入理解这一现象，吴靓老师及团队对18位原发或早期复发肝细胞癌患者癌组织及癌旁组织中近17,000个细胞，进行全长单细胞测序，分析结果显示复发肝癌具有独特的免疫微环境[10]，包括：
1）Tregs（调控T细胞）相对较少、DC（树突状细胞）和CD8+ T细胞浸润相对较多；
2）CD8+ T细胞在复发灶中表现出固有免疫样低耗竭特征、低杀伤能力和低克隆扩增能力；
3）复发灶中的肿瘤细胞免疫逃逸信号增加；
4）CD274+比例高竞争性抑制DC的能力。
根据以上研究结果，吴靓老师提出肝癌复发灶与原发灶之间的TIME差异可为肝癌免疫治疗策略的定制提供参考。
吴靓老师同时讲解了使用scRNA-seq技术分析肝癌患者不同位置血管内CTC细胞，发现CTC可通过CCL5介导的免疫逃逸方式进行肝转移[11]。
报告2
肝癌肿瘤内空间异质性研究
点击查看直播视频
IF：13.354；文献数据：HRA000437（GSA）
清华大学自动化系副研究员古槿老师深入浅出地介绍了几大单细胞测序技术及空间测序技术的原理和优势劣势。他通过介绍肿瘤异质性及肿瘤微环境异质性是导致肿瘤耐药和易于复发的重要原因，强调了肿瘤空间异质性研究的重要性，以及绘制时空图谱的必要性。
以肝癌流行病学数据引入肝癌研究的必要性和重要性后，古槿老师及合作团队发现肝癌肿瘤微环境中的免疫细胞存在明显的区域异质性，其中肿瘤边界区域三阳性T细胞富集程度越高，原发肝癌患者的预后越好[13]。
这一研究成果提示肿瘤边界区域极具研究价值，因此古槿老师及合作团队通过空间转录组技术，首次深入解析原发肝癌组织在空间上的肿瘤微环境模式。
通过对7位患者肿瘤组织中21个区域共84,823个空间点进转录组进行分析，古槿老师及合作团队得出以下结论[14]：
1）原发肝癌肿瘤组织中存在多种模式的空间异质性；
2）在转录组水平上认识肿瘤包膜的存在及特征；
3）肿瘤包膜影响了肿瘤内空间聚群连续性、转录组多样性以及免疫细胞浸润；
4）首次提出TLS-50 signature，用于定位TLS（三级淋巴结构）位置。
接着，古槿老师分析了当前部分空间转录组技术的不足：空间分辨率不足导致样本背景噪音大，对亚群精准分析造成困难；小视野数据拼接导致数据丢失，难以反映肿瘤异质性全景；转录组数据噪声大，需要其他组学数据支持。
古槿老师还介绍了其开发的数据分析方法，该方法能增加空间结构辨识度，去除转录组数据背景噪音增强数据表现。
总结
两位老师的研究都揭示了肿瘤免疫微环境的高度异质性。吴靓老师及团队的系列研究成果较为完整地解答了肝癌复发背后的生物学机制，即复发肝癌是如何产生、如何逃避免疫机制以及如何通过免疫机制帮助转移。古槿老师及团队深入研究了原发肝癌肿瘤免疫微环境空间异质性。他们首次绘制了原发肝癌空间转录组图谱，在没有使用单细胞测序技术以及蛋白质组技术的情况下，不仅确认并强调了边界/包膜在癌症领域的研究意义，还为如何使用空间转录组技术进行科学研究提供了思路和参考。
华大Stereo-seq时空组学技术是目前全球领先的技术，突破了传统技术的限制，通过时空芯片捕获组织中的mRNA，以空间条形码（Coordinate ID, CID）还原回空间位置，实现组织原位测序，为深入地了解细胞的基因表达及形态与局部环境之间的关系建立强大的研究基础。
该技术可实现生命全景时空分子图谱，成为全球领先的能同时实现“纳米级分辨率”和“厘米级全景视场”的原位捕获空间全转录组测序技术，可以全面应用于生老病死、意识起源、万物生长、生命起源等重大问题研究，推动生命科学和医学领域的发展，带来生命科学领域第三次科技革命。
参考文献：
1.Arneth B. Tumor Microenvironment. Medicina (Kaunas). 2019 Dec 30;56(1):15.
2.Saha T, et al. Intercellular nanotubes mediate mitochondrial trafficking between cancer and immune cells. Nat Nanotechnol. 2021.
3.Binnewies M, et al. Understanding the tumor immune microenvironment (TIME) for effective therapy. Nat Med. 2018 May;24(5):541-550.
4.Binnewies M, et al. Understanding the tumor immune microenvironment (TIME) for effective therapy. Nat Med. 2018 May;24(5):541-550.
5.Hong F, et al Single-Cell Analysis of the Pan-Cancer Immune Microenvironment and scTIME Portal. Cancer Immunol Res. 2021 Aug;9(8):939-951.
6.Nieto P, et al. A single-cell tumor immune atlas for precision oncology. Genome Res. 2021 Oct;31(10):1913-1926.
7.Gohil SH, et al. Applying high-dimensional single-cell technologies to the analysis of cancer immunotherapy. Nat Rev Clin Oncol. 2021.
8.Xianwen Ren, et al. Insights Gained from Single-Cell Analysis of Immune Cells in the Tumor Microenvironment. Annual Review of Immunology 2021 39:1, 583-609.
9.Wu L, et al. scDPN for High-throughput Single-cell CNV Detection to Uncover Clonal Evolution During HCC Recurrence. Genomics Proteomics Bioinformatics.
10.Sun Y, et al. Single-cell landscape of the ecosystem in early-relapse hepatocellular carcinoma. Cell. 2021 Jan 21;184(2):404-421.e16.
11.Sun YF, et al. Dissecting spatial heterogeneity and the immune-evasion mechanism of CTCs by single-cell RNA-seq in hepatocellular carcinoma. Nat Commun. 2021 Jul 2;12(1):4091.
12.Liang Wu, et al. Spatially-resolved transcriptomics analyses of invasive fronts in solid tumors. bioRxiv 2021.10.21.465135; doi: https://doi.org/10.1101/2021.10.21.465135.
13.Zheng B, et al. Trajectory and Functional Analysis of PD-1high CD4+CD8+ T Cells in Hepatocellular Carcinoma by Single-Cell Cytometry and Transcriptome Sequencing. Adv Sci (Weinh). 2020 May 18;7(13):2000224.
14.Wu R, et al. Comprehensive analysis of spatial architecture in primary liver cancer. Sci Adv. 2021 Dec 17;7(51):eabg3750.
推荐阅读
07-20 时空组学
07-28 DNBelab C4
10-30 国际合作中心
12-06 大科学计划
联系我们
对时空组学或单细胞组学整体解决方案感兴趣的老师，可选择以下方式和我们联系，我们将及时为您进行详细的介绍：
1. 在公众号留言；
2. 发送信息至邮箱：
collaboration@stereomics.com。
点
“阅读原文”回看视频